中國西藏ASγ實驗發現迄今最高能量宇宙線存在銀河系證據

西藏ASγ實驗團隊觀測到的超高能彌散伽馬射線事例在銀道坐標系下的分布：這些超高能彌散伽馬射線的能量在400TeV到1PeV之間，表現出向銀盤（圖中水平中線）集中分布的特點；灰色陰影區域是ASγ實驗無法觀測的區域。背景色輪廓顯示了銀河系坐標中氫原子的分布。（來源：https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/foreground/fg_hi4pi_get.cfm）。中科院高能所 供圖

　　中國科學院高能物理研究所（中科院高能所）4月2日在北京舉行新聞發布會宣布，中日合作西藏ASγ實驗近期觀測到迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射，其最高能量達957萬億電子伏特（1TeV=1萬億電子伏特），接近1000萬億電子伏特（1PeV，1拍電子伏特）。

　　超高能的1拍電子伏特是什么概念？科學家科普稱，它相當于醫學診斷用的X射線能量（大約1萬電子伏特）的1000億倍。最新發現的這些超高能伽馬射線的方向并沒有指向已知的低能段伽馬射線源，而是彌漫分布在銀盤（銀河系在天空的投影）上，也成為國際上首次發現“拍電子伏特宇宙線加速器”（PeVatrons）在銀河系中存在的證據。

　　這項重大高能和天文物理研究成果被美國物理學會評論為研究高能宇宙線起源世紀之迷的里程碑。該研究論文即將于4月5日在著名學術期刊美國《物理評論快報》正式發表，并被期刊作為高亮點論文加以推薦。

　　中科院高能所粒子天體物理中心研究員、西藏ASγ實驗負責人黃晶介紹說，高能宇宙線起源是一個世紀未解之謎，被列為21世紀11個最前沿的科學問題之一。宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流，主要由質子和其他原子核組成。通常低于幾個拍電子伏特能量的宇宙線被認為主要產生于銀河系內，而能將宇宙線加速到拍電子伏特能量的天體也被稱為“拍電子伏特宇宙線加速器”。

　　根據理論模型，超新星遺跡、恒星形成區和銀河系中心的超大質量黑洞等是候選的“拍電子伏特宇宙線加速器”，但迄今為止并沒有任何一個“拍電子伏特宇宙線加速器”得到觀測證實，其主要困難在于，帶電的高能宇宙線粒子在銀河系傳播的過程中其運動方向會被磁場偏轉，無法通過直接探測搜尋其源頭方向。

　　她指出，這次中日合作ASγ實驗在銀盤上發現超高能彌散伽馬射線，其能譜特征與拍電子伏特能量宇宙線和銀河系分子云碰撞產生伽馬射線的模型預言相符，就像是“拍電子伏特宇宙線加速器”在銀河系內留下的一串串“足跡”，是其存在于銀河系的重要證據。

　　一個月前，西藏ASγ實驗曾發布另一個相關重要研究成果——首次發現超新星遺跡SNR G106.3+2.7方向存在超過100萬億電子伏特的伽馬射線。這些伽馬射線大于百萬億電子伏特的能量及空間分布特征表明，超新星遺跡SNR G106.3+2.7是目前為止在銀河系中發現的最可能的“拍電子伏特宇宙線加速器”候選天體。

　　黃晶表示，綜合起來，ASγ實驗的這兩項重要結果，分別從“拍電子伏特宇宙線加速器”的候選天體和超高能彌散伽馬射線在銀河系內的空間分布結果，表明“拍電子伏特宇宙線加速器”在銀河系內存在，是朝著解開高能宇宙線起源世紀之謎邁出的重要一步。

　　據了解，ASγ實驗組由中科院高能所、中科院國家天文臺等中方12個合作單位及日本東京大學宇宙線研究所等16個日方合作單位組成。ASγ實驗始建于1989年，位于海拔4300米的西藏羊八井。

　　2014年，ASγ實驗團隊在現有6.5萬平方米宇宙線表面陣列下面，增設有效面積3400平方米的創新型的地下繆子水切倫科夫探測陣列，用于探測宇宙線質子與地球大氣作用產生的繆子。在高能宇宙線起源研究工作中，ASγ實驗組綜合利用地面和地下探測器陣列的數據，將100萬億電子伏特以上的宇宙線背景噪聲壓低到百萬分之一，從而極大提高伽馬射線探測的靈敏度，成為ASγ實驗近年來取得系列重大發現的關鍵技術基礎。